Pham Nam Hai Research Group

超高密度磁気記録4 Tbit/in²に向けた新しい磁気センサー技術「SOTセンサー」に関する研究成果がApplied Physics Letters誌に掲載されました。本研究はスト―レージ大手メーカのWestern Digitals社との共同研究の成果です。

Ho Hoang Huy, Julian Sasaki, Nguyen Huynh Duy Khang, Shota Namba, Pham Nam Hai, Quang Le, Brian York, Cherngye Hwang, Xiaoyong Liu, Michael Gribelyuk, Xiaoyu Xu, Son Le, Michael Ho, and Hisashi Takano, “Large inverse spin Hall effect in BiSb topological insulator for 4 Tb/in² magnetic recording technology”, Appl. Phys. Lett. 122, 052401 (2023).

従来のTMR効果を用いたTMRセンサーは限界に向かいつつあります。これは、TMRセンサーには、固定層を含み、最低でも2の磁性層が必要なため、20 nm以下の微細なデバイスの作製が困難な他、熱雑音やスピン移行トルク雑音が増大するためです。そこで、逆スピンホール効果を用いるSOTセンサー(図1)を用いれば、TMRセンサーの問題点を解決できます。しかし、SOTセンサーを実現するためには、高いスピンホール効果を有する材料が必要です。従来の重金属を用いると、SOTセンサーの高いSNR比を実現できません。そこで、Pham研究室で開発したBiSbトポロジカル絶縁体を用いれば、高いSNR比を実現できることを理論的に示し、かつその実証を行いました。本研究成果により、超高密度磁気記録4 Tbit/in²の実現が大きく前進します。

図1：SOTセンサーの構造

Si Back-end-of-line (BEOL)プロセスに適応すべく300℃で低温成長したYPtBiの巨大なスピンホール効果を実現した研究成果はAIP Advances 誌(オープンアクセス)に掲載されました。

Takanori Shirokura and Pham Nam Hai, “Giant spin Hall effect in half-Heusler alloy topological semimetal YPtBi grown at low temperature”, AIP Advances 12, 125116 (2022).

YPtBiはトポロジカルハーフホイスラ合金で、高いスピンホール効果と高い熱耐久性を両立できる物質であり、スピン軌道トルクスピンデバイスのスピン流源として有望です。しかし、YPtBiはゼロギャップ半導体のため、バルクのキャリアを抑制するために、600℃の高温で製膜する必要がありました。今回の研究では、半導体Si回路のBEOLプロセスに適応できる温厚な温度300℃でもYPtBiを製膜できる条件を見だして、巨大なスピンホール効果を実現しました。

なお、本研究はキオクシア社から支援を得て行った研究です。

NiO挿入によるBiSbトポロジル絶縁体のスピンホール性能の向上に関する研究成果はJapanese Journal of Applied Physics誌に掲載されました。本研究はサムスン日本研究所との共同研究の成果です。

Julian Sasaki, Shota Namba, Shigeki Takahashi, Yoshiyuki Hirayama, and Pham Nam Hai,  “Highly efficient spin current source using BiSb topological insulator / NiO bilayers”, Jpn. J. Appl. Phys. 62, SC1005 (2023).

本研究では、下部層としてのBiSbとCo磁性薄膜の間にNiOを挿入すると、BiSbからCoへのSb拡散を抑制し、BiSbの有効なスピンホール角が大幅に改善すること、また、Coが垂直磁気異方性を示すことを見だしました。本成果はBiSbトポロジカル絶縁体をSOT-MRAMへの集積する際に、重要な技術である。

次世代HDD用磁気センサーに向けた新技術「SOT磁気センサー」を実現するためのBiSbトポロジカル絶縁体/面内磁化膜における巨大なスピンホール効果に関する研究成果はIEEE Transactions on Magneticsに早期アクセスとして掲載されました。本成果はHDD大手メーカーのWestern Digital Inc.社との共同研究の成果です。

H. H. Huy, J. Sasaki, N. H. D. Khang, S. Namba, P. N. Hai, Q. Le, B. York, C. Hwang, X. Liu, M. Gribelyuk, X. Xu, S. Le, R. Nagabhirava, M. Ho and H. Takano, “Large spin Hall angle in sputtered BiSb topological insulator on top of various ferromagnets with in-plane magnetization for SOT reader application”, IEEE Trans. Magn. 59, 3000904/1-4 (2023)

MoS2における磁気抵抗効果の研究成果がScientific Reports誌に掲載されました。本論文は若林研究室の宗田伊理也氏との共同研究の成果です。

Iriya Muneta, Takanori Shirokura, Pham Nam Hai, Kuniyuki Kakushima, Kazuo Tsutsui, and Hitoshi Wakabayashi, “Ferromagnetism modulation by ultralow current in a two-dimensional polycrystalline molybdenum disulphide atomic layered structure”, Scientific Reports 12, 17199 (2022).